專題丨基于5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的冶金塵泥循環(huán)利用綠色智能工廠
作者簡(jiǎn)介
趙國(guó)賓
永卓控股有限公司總裁助理、企業(yè)首席信息官、數(shù)字創(chuàng)新部部長(zhǎng)，研究方向?yàn)槠髽I(yè)管理、數(shù)字化、信息化、智能化規(guī)劃建設(shè)運(yùn)營(yíng)。
趙俊杰
永卓控股有限公司數(shù)字化管理室主任，研究方向?yàn)槠髽I(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型規(guī)劃、新一代信息技術(shù)應(yīng)用、精益+數(shù)字化提升業(yè)務(wù)場(chǎng)景價(jià)值應(yīng)用管理。
祁萌
永卓控股有限公司數(shù)字化管理室項(xiàng)目經(jīng)理，研究方向?yàn)槠髽I(yè)數(shù)字化、信息化、智能化項(xiàng)目規(guī)劃與建設(shè)管理。
楊慧
永卓控股有限公司數(shù)字化管理室科技申報(bào)經(jīng)理，研究方向?yàn)閿?shù)字化、信息化、智能化科技項(xiàng)目申報(bào)、知識(shí)產(chǎn)權(quán)和企業(yè)資質(zhì)建設(shè)管理。
顧銀琴
永卓控股有限公司數(shù)字化管理室體系經(jīng)理，研究方向?yàn)閿?shù)字化、信息化、智能化體系建設(shè)運(yùn)營(yíng)管理。
論文引用格式：
趙國(guó)賓, 趙俊杰, 祁萌, 等. 基于5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的冶金塵泥循環(huán)利用綠色智能工廠[J]. 信息通信技術(shù)與政策, 2023, 49(11): 55-64.
基于5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的冶金塵泥循環(huán)利用綠色智能工廠
趙國(guó)賓 趙俊杰 祁萌 楊慧 顧銀琴
（永卓控股有限公司，張家港 215600）
摘要：永卓控股旗下的永鋼集團(tuán)冶金塵泥循環(huán)利用綠色智能工廠使用5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)改善了傳統(tǒng)的大體量、粗放式、弱研發(fā)、輕環(huán)保的管理模式，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)集控化、安環(huán)可視化、作業(yè)無人化、點(diǎn)檢智能化、協(xié)同高效化、管理智慧化，將工廠打造成高度信息化和智能化的“黑燈工廠”。
關(guān)鍵詞：5G；工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)；大數(shù)據(jù)；綠色工廠
0 引言
近年來，為積極響應(yīng)國(guó)家創(chuàng)新發(fā)展、綠色發(fā)展等高質(zhì)量發(fā)展要求，一些公司大力推進(jìn)信息化、數(shù)字化、智能化建設(shè)，在全流程生產(chǎn)設(shè)備全面自動(dòng)化、數(shù)字化和工廠管理全面智慧化的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)，充分利用5G、大數(shù)據(jù)、人工智能（Artificial Intelligence，AI）等新一代信息技術(shù)和窄帶物聯(lián)網(wǎng)、超寬帶等網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，構(gòu)建自身的物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，通過“精益+數(shù)字化”實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的技術(shù)、業(yè)務(wù)、組織兩化融合四要素協(xié)同創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)管理、質(zhì)量管理、設(shè)備運(yùn)行、能源管控、物流運(yùn)輸、環(huán)境監(jiān)控等企業(yè)運(yùn)營(yíng)管控智慧化。
1 基于5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的綠色智能工廠的設(shè)計(jì)意義
1.1 建設(shè)冶金塵泥循環(huán)利用綠色智能工廠，是鋼鐵行業(yè)企業(yè)落實(shí)政策、合規(guī)經(jīng)營(yíng)的必經(jīng)之路
鋼鐵冶金工業(yè)的發(fā)展促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，為經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供了物質(zhì)保障，但冶煉生產(chǎn)所產(chǎn)生的大量廢渣、廢物等也成為了環(huán)境污染的主要來源。鋼鐵廠廢渣含有多種硫化物、氧化物等有害物質(zhì)和污染物，成分復(fù)雜。如果未經(jīng)妥善處理而隨意排放，其產(chǎn)生的粉塵和顆粒物會(huì)隨著空氣流動(dòng)釋放到大氣環(huán)境中，危害人體健康。
隨著當(dāng)前環(huán)保治理力度的加大，節(jié)能減排、綠色生產(chǎn)已成為鋼鐵企業(yè)發(fā)展的主題。如何把鋼鐵生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的鋼渣、富鋅含鐵除塵灰固體廢物全面回收利用，實(shí)現(xiàn)變廢為寶，是企業(yè)建設(shè)綠色智能工廠必須面對(duì)的問題，也是鋼鐵行業(yè)企業(yè)落實(shí)政策、合規(guī)經(jīng)營(yíng)的必然選擇。
1.2 基于5G 和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建廠的意義
制造業(yè)在發(fā)展期間，相關(guān)人員應(yīng)不斷分析和探索“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”時(shí)代的特點(diǎn)，同時(shí)將制造高端裝備作為核心，持續(xù)優(yōu)化和創(chuàng)新制造模式，提升高端裝備制造質(zhì)量和效率[1]。冶金塵泥循環(huán)利用綠色智能工廠響應(yīng)國(guó)際智能制造與固廢處理方針，應(yīng)用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)一系列技術(shù)，結(jié)合5G實(shí)現(xiàn)整體智能，在鋼鐵行業(yè)內(nèi)有標(biāo)桿效應(yīng)，可在其他地區(qū)鋼鐵企業(yè)落地進(jìn)行推廣。
2 基于5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的綠色智能工廠的技術(shù)方案
2.1 5G CPE規(guī)劃
在廠區(qū)，5G 客戶終端設(shè)備（Customer Premise Equipment，CPE）以鼎橋的CPE Ins2.0為主。該CPE防護(hù)等級(jí)為IP65，工作溫度為-40 ℃~60 ℃，可以較好地滿足廠區(qū)的環(huán)境要求。
因?yàn)镃PE在實(shí)際部署過程中遇到了信號(hào)干擾的問題，通過對(duì)比站間擋板和CPE縮口屏蔽罩兩種抗干擾方案，最終采用縮口屏蔽罩方案，使得鄰小區(qū)干擾下降4~5 dBm，本小區(qū)干擾下降2~3 dBm，能量匯集與干擾控制較好，可解決多終端并發(fā)帶來的小區(qū)間干擾問題。
2.2 網(wǎng)絡(luò)高可用方案
遠(yuǎn)程訪問路由器（Access Router，AR）采用1+1熱備方案，一個(gè)設(shè)備接兩個(gè)CPE（Ins2.0），采用負(fù)荷分擔(dān)；基站基帶板1+1備份、主控板1+1備份；多接入邊緣計(jì)算池（Multi-access Edge Computing Pool，MEC POOL）組網(wǎng)；利用已經(jīng)建設(shè)好的微波等，實(shí)現(xiàn)5G+微波雙鏈路，提高網(wǎng)絡(luò)可靠性。
2.3 終端組網(wǎng)
IP攝像頭和天車控制可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）等都采用私網(wǎng)IP地址通信，為了局域網(wǎng)二層通訊能承載5G網(wǎng)絡(luò)，需要在5G網(wǎng)絡(luò)上疊加一條隧道。關(guān)于隧道技術(shù)的選擇，根據(jù)實(shí)際情況的分析評(píng)估，通用路由封裝（Generic Routing Encapsulation，GRE）處理器開銷較小，可支持L2及L3的隧道，因此，推薦采用GRE隧道技術(shù)。
以5G遠(yuǎn)控天車場(chǎng)景為例，5G CPE工作在橋接模式（二層透?jìng)鳎燔嚭椭锌厥业腁R分別從5G核心網(wǎng)獲取運(yùn)營(yíng)商IP地址，可以通過動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議（Dynamic Host Configuration Protocol，DHCP）每次都獲取相同的IP（需要核心網(wǎng)設(shè)置相應(yīng)策略），也可以由運(yùn)營(yíng)商分配好后，配置靜態(tài)IP地址。這樣就可以在兩臺(tái)AR之間建立起GRE隧道。由于本方案中還采用了微波備份，可以在微波鏈路上也同時(shí)建立一條GRE隧道，并在GRE隧道上配置雙向轉(zhuǎn)發(fā)檢查（Bidirectional Forwarding Detection，BFD）連通性檢測(cè)功能。這樣，當(dāng)一條隧道連接斷開，可以快速切換到備用隧道。由于GRE隧道的引入，增加了報(bào)文的開銷，為了保障IP攝像頭這類大數(shù)據(jù)包的傳輸，攝像頭的最大傳輸單元（Maximum Transmission Unit，MTU）可設(shè)置為1 400。
2.4 邊緣云方案
該技術(shù)方案的云邊協(xié)同總體架構(gòu)如圖1所示。
圖1 云邊協(xié)同總體架構(gòu)圖
5G全連接工廠建設(shè)場(chǎng)景主要基于機(jī)器視覺AI的分析應(yīng)用、AR輔助裝配等，針對(duì)工廠目前的設(shè)備、機(jī)器、倉(cāng)儲(chǔ)、物流調(diào)度等業(yè)務(wù)需求及后續(xù)產(chǎn)業(yè)智能化升級(jí)規(guī)劃目標(biāo)，采用邊云協(xié)同的解決方案，邊緣云采用信息交換模式（Message Exchange Pattern，MEP）方案。
邊緣云部署AI推理應(yīng)用，中心云用于模型訓(xùn)練。中心云和邊緣云之間通過智能邊緣平臺(tái)（Intelligent EdgeFabric，IEF）解決方案（見圖2）實(shí)現(xiàn)邊云協(xié)同。
圖2 IET解決方案
通過邊緣云、中心云的協(xié)同，實(shí)現(xiàn)5G定制網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定時(shí)延接入能力、可靠性保障能力以及差異化隔離能力，中心云資源將基于5G切片/負(fù)極-正極-負(fù)極晶體管（Negative-Positive-Negative，NPN）實(shí)現(xiàn)多種顆粒度接入控制，避免工廠專屬資源被強(qiáng)占（見圖3）。
圖3 多種顆粒度接入控制示意圖
基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)各排放點(diǎn)、環(huán)保設(shè)備、固廢計(jì)量器、氣象參數(shù)等采用在線自動(dòng)監(jiān)控、自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)報(bào)警等智能化控制手段，通過超低排改造，建設(shè)更加綠色、安全、可靠的工廠環(huán)境。
（1）建立全流程自動(dòng)化流水生產(chǎn)線。全流程提升智能制造應(yīng)用比率，實(shí)施“信息化、智能化替代人工”策略。鼓勵(lì)從鋼鐵材料生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)，到鋼鐵材料組織性能預(yù)測(cè)與控制，到鋼鐵生產(chǎn)智能制造等方面向全流程多層次技術(shù)組合的一體化控制方向發(fā)展，以便更好地滿足客戶需求，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率和能源效率。
（2）通過新增表面質(zhì)量檢測(cè)儀和在線技監(jiān)診斷自動(dòng)分析系統(tǒng)，讓操作工在生產(chǎn)過程中能實(shí)時(shí)觀察到產(chǎn)品表面缺陷，以便及時(shí)采取針對(duì)性措施規(guī)避產(chǎn)品缺陷，降低不良率；同時(shí)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品檔案的建立和追溯，有效提高售后服務(wù)水平。
（3）新增在線設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過建立信號(hào)分析方法庫(kù)、設(shè)備診斷規(guī)則庫(kù)、趨勢(shì)預(yù)警、遠(yuǎn)程通訊等功能模塊，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)與故障預(yù)警、故障診斷分析、遠(yuǎn)程技術(shù)支持，使所有重要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)在系統(tǒng)畫面上一目了然，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，做到精準(zhǔn)高效的管控設(shè)備，使得設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率大幅提升。
（4）安全管理系統(tǒng)通過采用.NET技術(shù)，搭建瀏覽器/服務(wù)器（Browser/Server，BS）三層安全系統(tǒng)管理平臺(tái)，建立安全檢查及隱患排查治理、風(fēng)險(xiǎn)管理、安全教育培訓(xùn)、特種設(shè)備設(shè)施管理、外協(xié)單位管理、安全預(yù)測(cè)預(yù)警、安全數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、安全知識(shí)庫(kù)等九大功能模塊，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的現(xiàn)場(chǎng)管理、安全人管理、安全物管理的三級(jí)管理制度。
（5）基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)平臺(tái)技術(shù)，并采用鋼鐵流程能量流網(wǎng)絡(luò)信息描述模型實(shí)施能源監(jiān)控智能優(yōu)化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)所有能源介質(zhì)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)控，杜絕了浪費(fèi)現(xiàn)象，工序能耗穩(wěn)步下降至設(shè)計(jì)水平的70.7%。
3 基于5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的綠色智能工廠的設(shè)計(jì)與實(shí)施
3.1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)整體規(guī)劃
通過研究5G在工業(yè)領(lǐng)域中的典型應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)5G在工業(yè)應(yīng)用中的適用性進(jìn)行分析，給出在典型行業(yè)的5G應(yīng)用解決方案，對(duì)于指導(dǎo)和推動(dòng)5G在工業(yè)應(yīng)用落地具有重要意義[2]。采用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建“平臺(tái)+應(yīng)用”模式輸出數(shù)字化和智能化服務(wù)。底層借助5G、窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）等物聯(lián)技術(shù)，使智能設(shè)備、儀表及工業(yè)控制系統(tǒng)互聯(lián)，建立企業(yè)級(jí)私有云基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)（Infrastructure as a Service，IaaS）和光纖網(wǎng)絡(luò)；平臺(tái)通過統(tǒng)一接口企業(yè)服務(wù)總線（Enterprise Service Bus，ESB）與企業(yè)原有的企業(yè)資源計(jì)劃（Enterprise Resource Planning，ERP）系統(tǒng)、制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）、L2系統(tǒng)對(duì)接，在平臺(tái)即服務(wù)（Platform as a Service，PaaS）層實(shí)現(xiàn)工業(yè)數(shù)據(jù)采集并集成各類工業(yè)模型組件，重點(diǎn)打造出智慧運(yùn)營(yíng)類應(yīng)用程序（Application，APP）和智能制造類APP（見圖4）。
圖4 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)整體規(guī)劃圖
在生產(chǎn)制造現(xiàn)場(chǎng)，通過不同場(chǎng)景化應(yīng)用的智能裝備與平臺(tái)建立連接，制定上層運(yùn)管的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、工藝標(biāo)準(zhǔn)及檢修管理活動(dòng)和作業(yè)計(jì)劃。通過平臺(tái)任務(wù)調(diào)度指令實(shí)時(shí)下達(dá)給現(xiàn)場(chǎng)各類智能測(cè)溫、自動(dòng)噴印機(jī)器人等設(shè)備，形成信息流、物質(zhì)流和控制流三流同步合一，保障產(chǎn)品制造全過程質(zhì)量穩(wěn)定和生產(chǎn)高效。
3.2 基于5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的綠色智能工廠技術(shù)架構(gòu)
5G全連接工廠從系統(tǒng)層級(jí)、智能功能、生命周期3個(gè)維度出發(fā)，考慮基礎(chǔ)、安全、管理、監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)、可靠性能共性要求，使用先進(jìn)自動(dòng)化、智能化設(shè)備及系統(tǒng)，在搭建數(shù)據(jù)平臺(tái)的基礎(chǔ)上引入建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）、 虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）、5G等新興技術(shù)，開發(fā)各類應(yīng)用來提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、提升安全生產(chǎn)水平，并為工廠的下一步發(fā)展化夯實(shí)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
工廠數(shù)據(jù)平臺(tái)主要集成三方面數(shù)據(jù)，即基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)。在集成數(shù)據(jù)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了生產(chǎn)工藝、設(shè)備與點(diǎn)巡檢、安全環(huán)保、智能物流、視頻監(jiān)控、廠區(qū)導(dǎo)覽、成本管理等八大功能模塊，具體功能如表1所示。
表1 八大功能模塊
3.3 基于5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的綠色智能工廠的核心場(chǎng)景應(yīng)用
基于5G通信技術(shù)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，極大地滿足了一些場(chǎng)景的應(yīng)用需求，如高速移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和網(wǎng)絡(luò)部署維護(hù)，在強(qiáng)化信息傳輸效率的同時(shí)還可以降低運(yùn)行成本投入[3]。
3.3.1 虛擬現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)5G全連接工廠使用BIM技術(shù)構(gòu)建全廠的三維模型。傳統(tǒng)的三維建模，往往使用3DMax等純圖形軟件，建成的模型僅包含幾何性質(zhì)，僅能做展示用，無法將其與其他數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)。近年來，智能三維模型軟件被越來越多地用于工業(yè)三維建模，而BIM技術(shù)是其中應(yīng)用較為廣泛的。BIM的核心是通過建立虛擬的三維模型，利用數(shù)字化技術(shù)，為這個(gè)模型提供完整的、與實(shí)際情況一致的信息庫(kù)。該信息庫(kù)不僅包含描述建筑物構(gòu)件的幾何信息、專業(yè)屬性及狀態(tài)信息，還包含非構(gòu)件對(duì)象（如空間、運(yùn)動(dòng)行為）的狀態(tài)信息。借助生產(chǎn)線的三維模型，大大提高了生產(chǎn)的信息集成化程度，從而將生產(chǎn)打造成一個(gè)工程信息交換和共享的平臺(tái)。BIM模型中的每一個(gè)實(shí)體，均能夠被賦予自定義的屬性，并通過這些屬性與其他系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。點(diǎn)擊模型中的實(shí)體，便可獲取各種信息。如點(diǎn)擊攝像頭打開實(shí)時(shí)視頻，當(dāng)設(shè)備異常或故障報(bào)警時(shí)，中控工可以通過BIM平臺(tái)快速定位到該設(shè)備并采取相應(yīng)操作。
3.3.2 廠區(qū)智能理貨3D勞動(dòng)機(jī)器化如圖5所示，通過對(duì)轉(zhuǎn)底爐的崗位梳理與工作職責(zé)分析，識(shí)別出 3D（即Dirty：環(huán)境惡劣、Difficult：困難復(fù)雜、Dangerous：危險(xiǎn)勞動(dòng)）崗位，引進(jìn)上料無人行車、成品料倉(cāng)自動(dòng)發(fā)貨、鋅粉自動(dòng)收集、鋅粉包裝自動(dòng)噴碼、無人轉(zhuǎn)運(yùn)小車、智能倉(cāng)庫(kù)、自動(dòng)清料等機(jī)器人替代人工勞動(dòng)。圖5所示廠區(qū)現(xiàn)有2 000 套設(shè)備入網(wǎng)，其中智能裝備136 套。未來，該廠區(qū)預(yù)計(jì)升級(jí)改造設(shè)備1 500 套，新增智能裝備300 套，打通控制系統(tǒng)100 套，并新增500 萬個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。
圖5 3D勞動(dòng)機(jī)器化
3.3.3 無人智能巡檢如圖6所示，利用可視化技術(shù)可實(shí)現(xiàn)“無人點(diǎn)巡檢”。通過創(chuàng)建一名“虛擬員工”，在制定巡檢路線上實(shí)現(xiàn)一鍵開啟智能巡檢，代替真人現(xiàn)場(chǎng)巡檢。以“虛擬員工”的視角，在制定好的路線中查看相關(guān)設(shè)備數(shù)據(jù)。“虛擬員工”點(diǎn)巡檢的效率是普通員工的3倍左右，在“虛擬員工”巡檢過程中，只要有一處設(shè)備發(fā)生故障，顯示大屏上就會(huì)發(fā)出警報(bào)信息，工作人員便能在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)問題并迅速采取措施。這不僅可以讓“虛擬員工”按照設(shè)定路線點(diǎn)巡檢，還能讓身處中控室的普通員工通過VR模擬生產(chǎn)的真實(shí)環(huán)境，只要帶上VR眼鏡就能實(shí)現(xiàn)去任意位置點(diǎn)巡檢。這種“足不出戶”的點(diǎn)巡檢方式，不僅可以讓工廠員工在任意時(shí)間“親臨”生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查，還能在保證安全的前提下，有效降低安全培訓(xùn)成本。
圖6 數(shù)字化點(diǎn)巡檢
3.3.4 生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)如圖7所示，配合定位手環(huán)，中控室大屏上的紅色部分是重點(diǎn)管控區(qū)域設(shè)置的電子圍欄，當(dāng)員工靠近或者誤入此區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警提醒員工，極大降低了安全隱患。在一些特定作業(yè)時(shí)，例如點(diǎn)巡檢過程中的人員或作業(yè)檢修人員進(jìn)入重點(diǎn)管控區(qū)域，超出安全作業(yè)時(shí)間時(shí)，系統(tǒng)也會(huì)自動(dòng)報(bào)警并將信息反饋到中控室，中控室數(shù)字化工廠的報(bào)警系統(tǒng)模塊會(huì)實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)報(bào)警，第一時(shí)間通知管理人員。
圖7 電子圍欄
工廠配備高精度人員定位管理系統(tǒng)，結(jié)合移動(dòng)定位技術(shù)和5G通信技術(shù)，為員工配置智能定位手環(huán)，除可隨時(shí)檢測(cè)人員活動(dòng)范圍外，還可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人員健康狀態(tài)。
3.3.5 生產(chǎn)效能管控5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在設(shè)計(jì)之初即構(gòu)建了專屬的能源管理系統(tǒng)并接入企業(yè)級(jí)能源管理平臺(tái)，不僅可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)部的能耗數(shù)據(jù)采集和管理，還能支撐企業(yè)級(jí)的能源調(diào)度和管理要求，通過公司級(jí)的能耗管理向下層層追溯，可以做到工序、班組、產(chǎn)品的能源精細(xì)化管理，大幅減少能源浪費(fèi)（見圖8）。工廠的能源綜合管理系統(tǒng)中建有產(chǎn)耗預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水、電、氧、氣（汽）等消耗的實(shí)時(shí)監(jiān)控、指標(biāo)超預(yù)警功能，能耗目標(biāo)≤190.907 kgce/t；還建有物料消耗的配料計(jì)算模型，在滿足成品質(zhì)量要求的前提下，可實(shí)現(xiàn)原輔料最低成本配比。
圖8 智慧能源管理
利用能源綜合管理系統(tǒng)，處理分析轉(zhuǎn)底爐能源消耗的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立產(chǎn)耗數(shù)學(xué)模型，并通過可視化技術(shù)展現(xiàn)在轉(zhuǎn)底爐中控室。通過數(shù)字模型預(yù)測(cè)生產(chǎn)水、電、氣（汽）等能耗，完成數(shù)據(jù)分析改進(jìn)、能耗異常監(jiān)測(cè)、指標(biāo)超預(yù)警功能，從而控制轉(zhuǎn)底爐能源消耗，實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化調(diào)度和有效管理。
4 基于5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的綠色智能工廠的關(guān)鍵核心技術(shù)
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)依賴高速通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，分析性能卓越的5G通信網(wǎng)絡(luò)有力地推動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的快速發(fā)展，對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用產(chǎn)生巨大影響[4]。
4.1 5G組網(wǎng)
由于工廠車間大多為金屬結(jié)構(gòu)，有線方式布線困難，傳統(tǒng)無線通信設(shè)備無法可靠使用，傳統(tǒng)的“Wi-Fi+有線”方式無法達(dá)到數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆Ｍ瑫r(shí)，考慮到私密性及低時(shí)延要求，本文采用“5G專網(wǎng)+MEC”方案，用來傳輸各種數(shù)據(jù)、視頻等。其中，MEC部署在蘇州電信機(jī)房，作為網(wǎng)絡(luò)邊緣計(jì)算平臺(tái)，和公網(wǎng)演進(jìn)型分組核心網(wǎng)（Evolved Packet Core，EPC）共用機(jī)房資源，專網(wǎng)的控制面和業(yè)務(wù)面流量均與公網(wǎng)EPC隔離。公網(wǎng)用戶接入新空口（New Radio，NR），S1 流量正常路由接入EPC，不經(jīng)過MEC設(shè)備。企業(yè)專網(wǎng)用戶通過專屬公共陸地移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)（Public Land Mobile Network，PLMN）接入MEC設(shè)備，專網(wǎng)用戶數(shù)據(jù)直接通過專網(wǎng)的傳輸鏈路到達(dá)MEC設(shè)備，傳向企業(yè)服務(wù)器，專網(wǎng)數(shù)據(jù)不經(jīng)過公網(wǎng)核心網(wǎng)。且MEC無需對(duì)EPC做任何的軟件和硬件上的改動(dòng)，僅需要本地修改基站部分路由的數(shù)據(jù)，如跟蹤區(qū)域碼（Tracking Area Code，TAC）參數(shù)。
在運(yùn)營(yíng)商提供的基礎(chǔ)設(shè)施（公有云、行業(yè)云、CMNET、承載網(wǎng)等）下，共25 個(gè)基站，將網(wǎng)絡(luò)部署在核心機(jī)房，再轉(zhuǎn)為廠區(qū)范圍內(nèi)的專用網(wǎng)絡(luò)，最終傳輸?shù)絽^(qū)域內(nèi)的各數(shù)字終端。
5G組網(wǎng)數(shù)據(jù)指標(biāo)：切片速率方面，單終端極速上行率100 Mbit/s，下行率1 000 Mbit/s；單終端暢聯(lián)上行速率60 Mbit/s，下行率500 Mbit/s。時(shí)延及抖動(dòng)方面，最大雙向時(shí)延小于40 ms，平均雙向時(shí)延20 ms。5G覆蓋率95%，平均參考信號(hào)接收功率（Reference Signal Receiving Power，RSRP）為-95 dbm，平均信號(hào)與干擾加噪聲比（Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR）為3，誤塊率（Block Error Rate，BLER）為15，丟包率0.50%，上行平均速率80 Mbit/s，下行平均速率800 Mbit/s，NR切換成功率98%。
4.2 工廠聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)采集
隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。工廠中選用了各種智能儀器儀表，這些智能設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)可以通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)地采集到應(yīng)用系統(tǒng)，從而將設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)采集到分布在不同地理位置的應(yīng)用系統(tǒng)中，方便工作人員隨時(shí)掌握設(shè)備的生產(chǎn)信息，并做狀態(tài)跟蹤、故障診斷等。
在線數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)是銜接各個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)與MES、點(diǎn)巡檢系統(tǒng)及安全環(huán)保系統(tǒng)之間的橋梁，能夠自動(dòng)在線采集設(shè)備狀態(tài)、故障、報(bào)警、能耗、加工步驟等狀態(tài)信息，接收管理系統(tǒng)的計(jì)劃、指令，并將這些信息下發(fā)到各個(gè)自動(dòng)化及控制系統(tǒng)，同時(shí)采集各個(gè)自動(dòng)化及控制系統(tǒng)的操作實(shí)績(jī)信息，通過計(jì)算匯總之后再反饋至各個(gè)管理系統(tǒng)。在線數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)主要包括能源的數(shù)據(jù)、原輔料的消耗數(shù)據(jù)、成品的產(chǎn)出及發(fā)出貨數(shù)據(jù)和生產(chǎn)過程實(shí)績(jī)數(shù)據(jù)，以供信息資源互通、數(shù)據(jù)集成與共享。
4.3 工廠邊緣計(jì)算設(shè)計(jì)
5G全連接工廠中的邊緣計(jì)算主要應(yīng)用在人員定位方案中，考慮到UWB定位數(shù)據(jù)的私密性及低時(shí)延要求，本文采用“5G專網(wǎng)+MEC邊緣計(jì)算”方案，具體組網(wǎng)架構(gòu)如圖9所示。
圖9 “5G+MEC+UWB”定位組網(wǎng)拓?fù)鋱D
MEC部署在蘇州電信機(jī)房，作為網(wǎng)絡(luò)邊緣計(jì)算平臺(tái)，對(duì)定位芯片上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。MEC邊緣計(jì)算結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方案具有超帶寬（本地服務(wù)，不受核心網(wǎng)帶寬限制）、低時(shí)延（本地處理，適合工業(yè)自動(dòng)化等重要通信應(yīng)用）、大連接（本地計(jì)算，內(nèi)容匯整增強(qiáng)，減少傳輸負(fù)荷）、高可靠性（企業(yè)業(yè)務(wù)在本地處理，具有更高的安全性）的特點(diǎn)，可為移動(dòng)終端提供更好的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。
針對(duì)專網(wǎng)用戶鑒權(quán)原理和實(shí)現(xiàn)方式，為確保只有企業(yè)內(nèi)的特定用戶才能使用專網(wǎng)業(yè)務(wù)，MEC提供了對(duì)用戶的多重鑒權(quán)方式。專網(wǎng)用戶只能通過專屬PLMN和專屬接入點(diǎn)名（Access Point Name，APN)接入MEC設(shè)備。同時(shí)，MEC設(shè)備會(huì)對(duì)想要登錄的終端的用戶識(shí)別模塊(Subscriber Identity Module，SIM)卡的國(guó)際移動(dòng)用戶識(shí)別（International Mobile Subscriber Identification，IMSI）碼進(jìn)行鑒別，僅允許在MEC中被寫入相應(yīng)信息的終端登錄。
5 基于5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的綠色智能工廠的技術(shù)創(chuàng)新成果
以5G為核心切入制造行業(yè)，以大規(guī)模數(shù)據(jù)采集、視頻監(jiān)控、機(jī)器視覺、AR點(diǎn)檢及培訓(xùn)等集成應(yīng)用與工業(yè)軟件構(gòu)建智能工廠產(chǎn)品體系和解決方案能力數(shù)字化轉(zhuǎn)型是制造業(yè)未來發(fā)展的必由之路[5]。5G全連接工廠現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造過程的數(shù)字化，信息、數(shù)據(jù)可以在執(zhí)行層、基礎(chǔ)層、管理層間進(jìn)行交互。工廠中基礎(chǔ)層的設(shè)備均已具備數(shù)字化功能，物料、輔具、人員等生產(chǎn)資源已具備了可數(shù)字化識(shí)別的能力。通過數(shù)字化貫穿執(zhí)行層中各個(gè)管理模塊的業(yè)務(wù)、活動(dòng)及資產(chǎn)管理，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)精益化、透明化。同時(shí)，從統(tǒng)籌管理角度出發(fā)，能效管理、安全管理、環(huán)境管理、辦公自動(dòng)化、項(xiàng)目管理等已與公司級(jí)平臺(tái)對(duì)接。
生產(chǎn)設(shè)備數(shù)字化、智能化、自動(dòng)化覆蓋率為99%。應(yīng)用射頻識(shí)別、二維碼等方式對(duì)生產(chǎn)資源進(jìn)行自動(dòng)、半自動(dòng)識(shí)別，使得工廠的自動(dòng)化信息、數(shù)據(jù)采集率達(dá)到95%；運(yùn)用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、5G等技術(shù)實(shí)現(xiàn)工廠內(nèi)各層級(jí)資源之間的信息交互；建有的MES、質(zhì)量管理、設(shè)備管理等系統(tǒng)已覆蓋工廠生產(chǎn)制造全過程；研發(fā)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控的故障預(yù)測(cè)、微檢修、VR檢修、人員定位健康監(jiān)控等系統(tǒng)則可以對(duì)人和物的安全進(jìn)行有效地分析、評(píng)估、預(yù)防、規(guī)避，大幅提高安全生產(chǎn)水平。5G全連接工廠固廢成效如表2所示。
表2 5G全連接工廠固廢成效
5G全連接工廠的績(jī)效指標(biāo)如表3所示，滿足《國(guó)家智能制造標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)體系指南》《江蘇省“十三五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》的相關(guān)績(jī)效要求。
表3 5G全連接工廠績(jī)效指標(biāo)優(yōu)化情況
工廠全面5G化的應(yīng)用效果如下。
（1）降低布線成本：“5G+UWB”方案可以大大減少布線的需求，因?yàn)?G網(wǎng)絡(luò)本身是一個(gè)無線通信技術(shù)，可以避免傳統(tǒng)的有線布線方式帶來的高成本和復(fù)雜性問題。同時(shí)，UWB技術(shù)具有精確測(cè)距和定位的功能，可以在室內(nèi)和復(fù)雜環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高精度定位，而不需要布設(shè)大量的傳感器和線路。
（2）提高上線速度：由于5G網(wǎng)絡(luò)的高速度數(shù)據(jù)傳輸能力，無人天車的控制系統(tǒng)可以更快地獲取車輛的狀態(tài)和位置信息，并更快地發(fā)送控制指令。這可大大縮短無人天車的上線時(shí)間，提高其工作效率。
（3）增強(qiáng)可靠性和穩(wěn)定性：5G網(wǎng)絡(luò)具有更高的可靠性和穩(wěn)定性，因?yàn)槠渚哂懈玫耐ㄐ艆f(xié)議和更強(qiáng)的技術(shù)支撐。這可以確保無人天車在運(yùn)行過程中不會(huì)因?yàn)橥ㄐ艈栴}而出現(xiàn)故障或停機(jī)。
隨著5G技術(shù)的不斷發(fā)展和普及，人們可以預(yù)見未來無人天車將會(huì)更加智能化和自動(dòng)化。例如，通過5G網(wǎng)絡(luò)連接更多的傳感器和設(shè)備，無人天車可以更好地感知周圍環(huán)境，更加智能地規(guī)劃和執(zhí)行任務(wù)。同時(shí)，通過與云計(jì)算和人工智能技術(shù)相結(jié)合，無人天車可以實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的自動(dòng)化，甚至可以達(dá)到自主決策和自我學(xué)習(xí)的能力。
6 結(jié)束語(yǔ)
本文提出通過5G技術(shù)構(gòu)建工廠的物聯(lián)網(wǎng)，將車間所有工作人員與設(shè)備納入物聯(lián)網(wǎng)的管理。工廠車間大多為金屬結(jié)構(gòu)，有線方式布線困難，傳統(tǒng)無線通信設(shè)備無法可靠使用，故可采用“5G專網(wǎng)+MEC邊緣計(jì)算”方案，用來傳輸各種數(shù)據(jù)、視頻、信息等。通過打造堅(jiān)實(shí)的5G通信底座，本文所述工廠在自動(dòng)化、信息化、智能化方面得以大刀闊斧的改革和建設(shè)，前后獲得省智能制造示范工廠、江蘇省5G全連接工廠、中國(guó)標(biāo)桿智能工廠、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)賦能綠色低碳發(fā)展優(yōu)秀案例等榮譽(yù)稱號(hào)。
Green intelligent factory for metallurgical dust and mud recycling based on 5G and Industrial Internet
ZHAO Guobin, ZHAO Junjie, QI Meng, YANG Hui, GU Yinqin
(Everrising Holdings Co., Ltd., Zhangjiagang 215600, China)
Abstract: The green intelligent factory for metallurgical dust and mud recycling is owned by Everrising Holdings’ Yonggang Group. By using technologies such as 5G, Industrial Internet, and big data, the factory has improved the traditional large-scale and extensive management mode which has weak research and development abilities and ignores environmental protection. It has also achieved centralized control of production, security visualization, unmanned operation, intelligent spot inspection, efficient cooperation, and intelligent management. And it has transformed into a highly informationized and intelligent “dark factory”.Keywords: 5G; Industrial Internet; big data; green factory
本文刊于《信息通信技術(shù)與政策》2023年 第11期
主辦：中國(guó)信息通信研究院
《信息通信技術(shù)與政策》是工業(yè)和信息化部主管、中國(guó)信息通信研究院主辦的專業(yè)學(xué)術(shù)期刊。本刊定位于“信息通信技術(shù)前沿的風(fēng)向標(biāo)，信息社會(huì)政策探究的思想庫(kù)”，聚焦信息通信領(lǐng)域技術(shù)趨勢(shì)、公共政策、國(guó)家/產(chǎn)業(yè)/企業(yè)戰(zhàn)略，發(fā)布前沿研究成果、焦點(diǎn)問題分析、熱點(diǎn)政策解讀等，推動(dòng)5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字經(jīng)濟(jì)、人工智能、區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新與發(fā)展，引導(dǎo)國(guó)家技術(shù)戰(zhàn)略選擇與產(chǎn)業(yè)政策制定，搭建產(chǎn)、學(xué)、研、用的高端學(xué)術(shù)交流平臺(tái)。
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